一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的制作方法

本發(fā)明涉及自由曲面光學(xué)元件領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置。

背景技術(shù)：

自由曲面光學(xué)元件具有改善光學(xué)性能、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)輕量化等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展的日新月異，自由曲面光學(xué)元件的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，不僅包括航空、航天、國防、軍事等核心技術(shù)領(lǐng)域，同時也涉及到普通民用、辦公等日常生活方面。在醫(yī)用光學(xué)相機(jī)、掃描儀、紅外夜視儀等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。其中，利用快速刀具伺服(FTS)技術(shù)進(jìn)行自由曲面光學(xué)元件的加工被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的加工方法。

FTS經(jīng)歷了從單自由度到多自由度的發(fā)展，鑒于單自由度FTS加工的局限性；即只能進(jìn)行單方向的往復(fù)運(yùn)動和單方向運(yùn)動軸誤差校正，僅能滿足恒進(jìn)給的刀具路徑，對于一些復(fù)雜的曲面就束手無策了。因此在單自由度FTS的基礎(chǔ)上需要研制多自由度FTS來滿足復(fù)雜曲面的快速伺服加工。多自由度FTS可以實(shí)現(xiàn)多方向主動切削加工和多方向位移補(bǔ)償，能夠解決切削力擾動，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸與FTS裝置的同步性和協(xié)調(diào)性，克服單自由度FTS加工中存在的問題，拓展基于NRS曲面加工的FTS金剛石車削加工領(lǐng)域和加工能力。因此多自由度FTS裝置的研究意義重大。

目前現(xiàn)有技術(shù)主要采用的FTS加工機(jī)構(gòu)的一種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其加工機(jī)床布局圖如圖2所示。在一臺超精密數(shù)控車床的X向?qū)к壣习惭b一臺FTS裝置，金剛石刀具夾持在上，工件安裝在超精密車床的主軸或軸上。金剛石刀具可以由FTS驅(qū)動實(shí)現(xiàn)沿著主軸方向的快速往復(fù)運(yùn)動，也能沿著導(dǎo)軌做X、Z向的進(jìn)給運(yùn)動。在加工過程中，刀具既隨著X、Z導(dǎo)軌做兩向進(jìn)給運(yùn)動，也由FTS驅(qū)動沿著主軸做快速往復(fù)運(yùn)動，兩者同時運(yùn)作，F(xiàn)TS補(bǔ)償導(dǎo)軌的位移誤差，宏微復(fù)合并提高金剛石刀具的加工精度。

對于傳統(tǒng)的FTS裝置來說，存在著明顯的的不足，這種不足表現(xiàn)在:

(1)專用機(jī)床的特點(diǎn)是一種機(jī)床只能加工同一類型的零件，因此加工成本高，加工效率低。

(2)不能實(shí)現(xiàn)多自由度的位移誤差補(bǔ)償。

(3)難以保證其他方向上的絕對剛度。

(4)金剛石刀具的工作空間狹小，對于形狀復(fù)雜、變形度較大的曲面加工，很難滿足其加工要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置，解決了傳統(tǒng)的FTS裝置加工成本高，加工效率低，不能實(shí)現(xiàn)多自由度的位移誤差補(bǔ)償，難以保證其他方向上的絕對剛度的技術(shù)問題。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置，包括：

X向驅(qū)動平臺、Y向驅(qū)動平臺、Z向驅(qū)動平臺、主柔性鉸鏈、副柔性鉸鏈、刀具；

X向驅(qū)動平臺和Y向驅(qū)動平臺分別通過主柔性鉸鏈與刀具連接，Z向驅(qū)動平臺通過副柔性鉸鏈與刀具連接。

可選地，X向驅(qū)動平臺與主柔性鉸鏈之間還固定連接有柔性鉸鏈外架，Y向驅(qū)動平臺與主柔性鉸鏈之間還固定連接有柔性鉸鏈外架；

柔性鉸鏈外架與X向驅(qū)動平臺及Y向驅(qū)動平臺的連接面凸起。

可選地，X向驅(qū)動平臺包括X向支撐架、X向壓電陶瓷驅(qū)動器、X向驅(qū)動器保護(hù)套筒；

X向壓電陶瓷驅(qū)動器一端與X向支撐架固定連接，X向壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端套有X向驅(qū)動器保護(hù)套筒，X向壓電陶瓷驅(qū)動器為堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動器。

可選地，Y向驅(qū)動平臺包括Y向支撐架、Y向壓電陶瓷驅(qū)動器、Y向驅(qū)動器保護(hù)套筒；

Y向壓電陶瓷驅(qū)動器一端與Y向支撐架固定連接，Y向壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端套有Y向驅(qū)動器保護(hù)套筒，Y向壓電陶瓷驅(qū)動器為堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動器。

可選地，Z向驅(qū)動平臺包括Z向支撐架、Z向壓電陶瓷驅(qū)動器、Z向驅(qū)動器保護(hù)套筒；

Z向壓電陶瓷驅(qū)動器一端與Z向支撐架固定連接，Z向壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端套有Z向驅(qū)動器保護(hù)套筒，Z向壓電陶瓷驅(qū)動器為堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動器。

可選地，刀具為金剛石刀具。

從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置，包括X向驅(qū)動平臺、Y向驅(qū)動平臺、Z向驅(qū)動平臺、主柔性鉸鏈、副柔性鉸鏈、刀具；X向驅(qū)動平臺和Y向驅(qū)動平臺分別通過主柔性鉸鏈與刀具連接，Z向驅(qū)動平臺通過副柔性鉸鏈與刀具連接，本發(fā)明實(shí)施例中通過對X向驅(qū)動平臺、Y向驅(qū)動平臺、Z向驅(qū)動平臺輸入電壓之后，輸出位移并作用在柔性結(jié)構(gòu)上，驅(qū)使刀具做對應(yīng)方向上的直線運(yùn)動。三個驅(qū)動平臺共同驅(qū)動，達(dá)到空間內(nèi)三維運(yùn)動的目的，實(shí)現(xiàn)三個自由度的位移誤差補(bǔ)償。且所使用的柔性鉸鏈具有高對稱性，其主要作用是三維解耦，減小耦合的影響，使之能夠在各個方向上更好地獨(dú)立運(yùn)動，增強(qiáng)了刀具的加工性，使之適應(yīng)多種加工環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)XYZ三個方向上的位移誤差補(bǔ)償，解決了傳統(tǒng)的FTS裝置加工成本高，加工效率低，不能實(shí)現(xiàn)多自由度的位移誤差補(bǔ)償，難以保證其他方向上的絕對剛度的技術(shù)問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的現(xiàn)有技術(shù)的一種FTS加工機(jī)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的現(xiàn)有技術(shù)的一種FTS加工機(jī)床布局圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的結(jié)構(gòu)正面示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的X向驅(qū)動平臺結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的主柔性鉸鏈與金剛石刀具的連接示意圖；

圖7a為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的副柔性鉸鏈的三維示意圖；

圖7b為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的副柔性鉸鏈的左視圖；

圖7c為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的副柔性鉸鏈的俯視圖；

圖7d為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的副柔性鉸鏈的前視圖；

圖7e為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的副柔性鉸鏈的后視圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的X向壓電陶瓷驅(qū)動器和Y向壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移后刀具直線運(yùn)動圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置的Z向壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移后刀具直線運(yùn)動圖。

圖示說明，1X向驅(qū)動平臺，1a X向支撐架，1b X向壓電陶瓷驅(qū)動器，1c X向驅(qū)動器保護(hù)套筒，2Y向驅(qū)動平臺，3Z向驅(qū)動平臺，4主柔性鉸鏈，5副柔性鉸鏈，6刀具。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置，用于解決傳統(tǒng)的FTS裝置加工成本高，加工效率低，不能實(shí)現(xiàn)多自由度的位移誤差補(bǔ)償，難以保證其他方向上的絕對剛度的技術(shù)問題。

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖3和圖4，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)控超精密加工機(jī)床并聯(lián)平動三維快速刀具伺服裝置包括：

X向驅(qū)動平臺1、Y向驅(qū)動平臺2、Z向驅(qū)動平臺3、主柔性鉸鏈4、副柔性鉸鏈5、刀具6；

X向驅(qū)動平臺1和Y向驅(qū)動平臺2分別通過主柔性鉸鏈4與刀具6連接，Z向驅(qū)動平臺3通過副柔性鉸鏈5與刀具6連接。

進(jìn)一步地，X向驅(qū)動平臺1與主柔性鉸鏈4之間還固定連接有柔性鉸鏈外架，Y向驅(qū)動平臺2與主柔性鉸鏈4之間還固定連接有柔性鉸鏈外架；

柔性鉸鏈外架與X向驅(qū)動平臺1及Y向驅(qū)動平臺2的連接面凸起。

進(jìn)一步地，請參閱圖5，X向驅(qū)動平臺1包括X向支撐架1A、X向壓電陶瓷驅(qū)動器1B、X向驅(qū)動器保護(hù)套筒1C；

X向壓電陶瓷驅(qū)動器1B一端與X向支撐架1A固定連接，X向壓電陶瓷驅(qū)動器1B的另一端套有X向驅(qū)動器保護(hù)套筒1C，X向壓電陶瓷驅(qū)動器1B為堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動器。

進(jìn)一步地，Y向驅(qū)動平臺2包括Y向支撐架、Y向壓電陶瓷驅(qū)動器、Y向驅(qū)動器保護(hù)套筒；

Y向壓電陶瓷驅(qū)動器一端與Y向支撐架固定連接，Y向壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端套有Y向驅(qū)動器保護(hù)套筒，Y向壓電陶瓷驅(qū)動器為堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動器。

進(jìn)一步地，Z向驅(qū)動平臺3包括Z向支撐架、Z向壓電陶瓷驅(qū)動器、Z向驅(qū)動器保護(hù)套筒；

Z向壓電陶瓷驅(qū)動器一端與Z向支撐架固定連接，Z向壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端套有Z向驅(qū)動器保護(hù)套筒，Z向壓電陶瓷驅(qū)動器為堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動器。

進(jìn)一步地，刀具6為金剛石刀具。

請參閱圖6，為主柔性鉸鏈4與金剛石刀具的連接示意圖。其中，金剛石刀具位于正方形底座的中央，正方形底座的每一邊上均連接有兩根主柔性鉸鏈4。

請參閱圖7a～7e，分別為副柔性鉸鏈5的三維示意圖、左視圖、俯視圖、前視圖、后視圖。由圖可知，Y向驅(qū)動平臺2通過副柔性鉸鏈5與上述的正方形底座連接，輸出位移并作用在柔性結(jié)構(gòu)上，再驅(qū)使正方形底座上的金剛石刀具做Y軸方向上的直線運(yùn)動。

如圖8和圖9，分別為X向壓電陶瓷驅(qū)動器1B和Y向壓電陶瓷驅(qū)動器、Z向壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移后刀具6直線運(yùn)動圖。壓電陶瓷驅(qū)動器在輸入電壓之后，輸出位移并作用在柔性結(jié)構(gòu)上，驅(qū)使金剛石刀具做對應(yīng)方向上的直線運(yùn)動。三個驅(qū)動器共同驅(qū)動，達(dá)到空間內(nèi)三維運(yùn)動的目的，實(shí)現(xiàn)三個自由度的位移誤差補(bǔ)償。此處的柔性鉸鏈具有高對稱性，其主要作用是三維解耦，減小耦合的影響，使之能夠在各個方向上更好地獨(dú)立運(yùn)動。圖示的箭頭是壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移的方向，共同對金剛石刀具產(chǎn)生作用。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統(tǒng)，裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實(shí)施例中的對應(yīng)過程，在此不再贅述。

以上所述，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。